Study on the spatial distribution characteristics of inorganic elements in the surrounding soil of a polluted site

ZENG Junyuan; XU Yifan; DUAN Xuemei; JI Yu

doi:10.16377/j.cnki.issn1007-7731.2025.19.013

Anhui Agricultural Science Bulletin >

2025 , Vol. 31 >Issue 19: 53 - 57

DOI: https://doi.org/10.16377/j.cnki.issn1007-7731.2025.19.013

Study on the spatial distribution characteristics of inorganic elements in the surrounding soil of a polluted site

ZENG Junyuan ,
XU Yifan ,
DUAN Xuemei ,
JI Yu

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Changzhou Environmental Monitoring Center, Changzhou 213004, China

Received date: 2025-01-10

Online published: 2025-10-14

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Abstract

In this study, with reference to the Chinese national standard method GB/T 14506.30-2010 “Methods for chemical analysis of silicate rocks-Part 30: Determination of 44 elements”, the contents of 40 inorganic elements (including Li and Be) in soil samples collected from 20 sampling points across 5 directions (due east, due west, due south, due north, and southwest) were determined. The distribution characteristics of these elements across different sampling points were analyzed using the single factor pollution index (P_ip ), geo-accumulation index (I _geo), and coefficient of variation (CV). The results indicated that the contents of nine inorganic elements (As, Cd, Cu, Pb, Ni, Sb, Be, Co, V) in the study area ranged from 0.406 to 101.000 mg/kg, all of which were below the risk screening values. Furthermore, all P_ip values were less than 1, indicating an “unpolluted” status. Compared to the soil background values of the eastern plains, the I _geo values of 29 elements (Li, Be, and Sc,etc.) were ≤0, suggesting no enrichment. 4 elements (Cu, Gd, W, and Bi) had I _geo values between 0 and 1, indicating slight to moderate enrichment. 4 elements (Zn, Ag, Cd, and Pb) showed I _geo values between 1 and 2, indicating moderate enrichment. In and Sb have I _geo values between 2 and 3, indicating moderate to strong enrichment. The I _geo value of Sn was 4.09, demonstrating strong to extreme enrichment. The CV values for 11 elements (including Cu, Zn, and Ag) in the study area’s soil were greater than 0.4, indicating a non-uniform distribution. Moreover, the maximum concentrations of unevenly distributed elements were predominantly located to the east, while the peak concentration of W was found 0.5 km to the southwest, and the peak concentrations of Cu, Zn, and Mo were located 0.5 km to the north. These findings provide a reference for soil environmental monitoring.

Key words： soil; inorganic elements; distribution characteristics; coefficient of variation

Cite this article

ZENG Junyuan , XU Yifan , DUAN Xuemei , JI Yu . Study on the spatial distribution characteristics of inorganic elements in the surrounding soil of a polluted site[J]. Anhui Agricultural Science Bulletin, 2025 , 31(19) : 53 -57 . DOI: 10.16377/j.cnki.issn1007-7731.2025.19.013

土壤生态系统作为人类生存和发展的物质基础之一，受自然活动及人类生产生活的综合影响，始终处在动态变化之中^[1]。土壤的物质组成差异与土地资源的保护利用、生态安全密切相关^[2]。区域生态环境质量在一定程度上取决于其所处的土壤化学分布模式和规律^[3]。因此，研究不同土壤类型无机元素的空间分布特征可以为区域土地质量评估、生态环境保护等研究提供参考^[4]。

目前，对土壤的无机污染物研究及评价多侧重于砷、镉、铬、铜、汞、镍、铅、锌等常规重金属元素。近年来，随着电子、医药等工业领域对稀土及稀有元素需求的不断扩大，导致这类元素在某些区域出现富集^[5]。因此，将常规元素与稀土元素进行综合研究，评估其对环境的影响具有重要意义。本文以某污染场地周边土壤为研究对象，采集污染场地周边不同方位的表层土壤样品，参考GB/T 14506.30—2010《硅酸盐岩石化学分析方法第30部分:44个元素量测定》方法对研究区域土壤的40种无机元素浓度进行测定，分析该区域土壤无机元素的分布特征并进行污染评价，为区域规划建设、土地资源合理开发和生态环境保护管理提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区基本情况与样品采集

研究区所在区域主要为冲湖积平原，土壤类型以水稻土为主。本次研究选取污染场地周边不同方位的土壤为研究对象，采集区域土壤表层样品，在正东、正西、正南、正北、西南5个方位不同半径共设置20个点位。采样点1-5分别对应正东0.5、1.0、2.0和2.5 km；采样点6-10分别对应正南0.5、1.0、2.0和2.5 km；采样点11-15分别对应正西0.5、1.0、2.0和2.5 km；采样点16-20分别对应正北0.5、1.0、2.0和2.5 km。采集的样品来自土壤表层，采集深度0～20 cm，土壤样品采集后带回实验室，拣出碎石、砂砾、植物残体等杂质后进行冷冻干燥处理，研磨后过0.15 mm尼龙筛。

1.2 样品消解前处理

参考GB/T 14506.30—2010《硅酸盐岩石化学分析方法第30部分：44个元素量测定》进行土壤样品消解前处理。具体步骤：称取0.025 g过筛后的土壤样品，于25 mL内罐（PTFE）中，依次加入0.5 mL浓硝酸、1 mL氢氟酸，加盖置于不锈钢承压外罐中，拧紧外罐盖后置于干燥箱中，于190 ℃下加热12 h，消解完成后冷却取出，打开内罐并置于48位赶酸仪中，160 ℃加热赶酸0.5 h，待消解液蒸至近干后加入0.5 mL浓硝酸继续加热赶酸2次。然后加入2.5 mL浓硝酸，并置于干燥箱中130 ℃加热1 h，冷却后取出，转移至25 mL容量瓶中，用实验用水定容至刻度线，摇匀待测。

1.3 土壤无机元素含量测定

参考GB/T 14506.30—2010《硅酸盐岩石化学分析方法第30部分：44个元素量测定》方法，采用电感耦合等离子体质谱仪（7700 ICP-MS，Agilent，美国）对上述消解前处理的试样锂（Li）、铍（Be）、钪（Sc）、钒（V）、锰（Mn）、钴（Co）、镍（Ni）、铜（Cu）、锌（Zn）、砷（As）、锶（Sr）、钇（Y）、锆（Zr）、钼（Mo）、银（Ag）、镉（Cd）、铟（In）、锡（Sn）、锑（Sb）、铯（Cs）、钡（Ba）、镧（La）、铈（Ce）、镨（Pr）、钕（Nd）、钐（Sm）、铕（Eu）、钆（Gd）、铽（Tb）、镝（Dy）、钬（Ho）、铒（Er）、铥（Tm）、镱（Yb）、镥（Lu）、铪（Hf）、钨（W）、铊（Tl）、铅（Pb）、铋（Bi）共40种元素含量进行测定。

1.4 土壤无机元素评价方法

1.4.1 单因子指数法

单因子指数法指实测浓度与污染物土壤风险管控标准的比值，计算如式（1）。

P_ip =

C i S i p

（1）

式中，P_ip 为单项污染指数；C_i 为调查土壤中污染物的实测浓度；S_ip 为污染物的评价标准值或参考值。P_ip ≤1为无污染。

1.4.2 地累积指数法

地累积指数法广泛应用于评价自然地质作用及人为活动对重金属元素背景值的影响。计算引入了岩石地质和沉积特征等影响背景值变化的系数，可定量反映土壤中重金属的富集情况^[6]，计算如式（2）。

I _geo=

l o g 2 C i 1.5 × B i

（2）

式中，I _geo为地累积指数；C_i 为土壤重金属i的实测含量；B_i 为土壤重金属元素i的评价标准值。本研究的元素背景值选择东部平原土壤背景值作为参考^[7]，地累积指数法分级标准见表1，将I _geo分为7个等级，土壤重金属i的I _geo值越大，富集越强。

表1 土壤重金属地累积指数分级标准

范围	富集程度
I _geo≤0	无富集
0<I _geo≤1	轻—中度富集
1<I _geo≤2	中度富集
2<I _geo≤3	中—强度富集
3<I _geo≤4	强度富集
4<I _geo≤5	强—极强度富集
I _geo>5	极强度富集

1.4.3 元素变异系数

变异系数（CV）表示无机元素含量分布的均匀性，计算如式（3）。

CV=

σ i ∑ x i

（3）

式中，

σ

_i 为土壤无机元素i测定值标准差；

∑ x i

为土壤无机元素i的平均值，CV值越大表示土壤无机元素分布越不均匀。CV<0.25为均匀分布，0.25≤CV≤0.4为较均匀分布，CV>0.4为不均匀分布^[8]。

2 结果与分析

2.1 土壤污染风险管控标准中的元素含量特征

本研究仅有As、Cd、Cu、Pb、Ni、Sb、Be、Co、V 9种元素属于现行标准GB 36600—2018《土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准（试行）》中土壤污染风险筛选值项目，参照标准对上述9种元素进行土壤环境质量评价。由表2可知，研究区As、Cd、Cu等9种无机元素含量在0.406～101.000 mg/kg，均低于风险筛选值标准，且土壤P_ip 均<1，评价为无污染。

表2 土壤污染风险筛选值项目调查统计

监测项目	点位数量	浓度/ （mg/kg）	均值/ （mg/kg）	风险筛选值/（mg/kg）	P_ip
As	20	8.510～18.400	12.000	60	0.142～0.306
Cd	20	0.090～1.970	0.406	65	0.001～0.030
Cu	20	25.000～170.000	54.900	18 000	0.001～0.009
Pb	20	19.200～451.000	70.100	800	0.024～0.564
Ni	20	27.300～77.000	38.900	900	0.030～0.086
Sb	20	1.150～50.100	5.520	180	0.006～0.278
Be	20	0.590～1.670	1.090	29	0.020～0.058
Co	20	5.270～9.040	6.840	70	0.075～0.129
V	20	78.100～110.000	101.000	752	0.104～0.158

2.2 土壤无机元素分布特征

2.2.1 元素浓度特征

由表3可知，与东部平原土壤背景值相比，Li、Be、Sc等29种元素的I _geo≤0，表现为无富集；Cu、Gd、W、Bi 4种元素的I _geo在0~1，表现为轻—中度富集；Zn、Ag、Cd、Pb 4种元素的I _geo在1~2，表现为中度富集；In、Sb 2种元素的I _geo在2~3，表现为中—强度富集；Sn元素的I _geo为4.09，表现为强—极强度富集。研究区土壤中Lu、Tb、La等27种元素CV<0.25，为均匀分布；Be、Ni的CV在0.25～0.40，为较均匀分布；Cu、Zn、Mo、Ag、Cd、In、Sn、Sb、W、Pb、Bi共11种元素CV>0.4，为不均匀分布。

表3 污染场地周边土壤无机元素调查统计

元素	点位数量	浓度/ （mg/kg）	均值/ （mg/kg）	东部平原土壤浓度均值/（mg/kg）	CV	I _geo
Li	20	16.5～29.0	22.6	36.0	0.137	-1.26
Be	20	0.59～1.67	1.09	2.30	0.278	-1.66
Sc	20	11.8～14.9	13.9	11.0	0.062	-0.25
V	20	78.1～119.0	101.0	87.0	0.095	-0.37
Mn	20	483～1024	663	705	0.183	-0.67
Co	20	5.27～9.04	6.84	13.0	0.149	-1.51
Ni	20	27.3～77.0	38.9	30.0	0.261	-0.21
Cu	20	25.0～170.0	54.9	23.0	0.563	0.67
Zn	20	66.7～746.0	231.0	64.0	0.688	1.27
As	20	8.51～18.4	12.0	10.0	0.188	-0.32
Sr	20	100～245	130	175	0.234	-1.02
Y	20	28.5～36.3	31.4	26.0	0.053	-0.31
Zr	20	261～389	326	250	0.093	-0.20
Mo	20	0.371～2.420	0.763	0.570	0.600	-0.16
Ag	20	0.117～1.840	0.361	0.072	1.094	1.74
Cd	20	0.090～1.970	0.406	0.118	1.059	1.20
In	20	0.078～2.510	0.389	0.054	1.698	2.26
Sn	20	5.97～625	79.1	3.10	2.084	4.09
Sb	20	1.15.0~50.100	5.520	0.790	1.935	2.22
Cs	20	2.62～3.66	3.33	7.50	0.090	-1.76
Ba	20	213～295	240	565	0.090	-1.82
La	20	39.5～47.5	43.8	37.0	0.052	-0.34
Ce	20	76.2～99.7	84.8	58.0	0.062	-0.04
Pr	20	8.35～10.30	9.34	7.00	0.056	-0.17
Nd	20	31.2～39.4	35.0	27.0	0.060	-0.21
Sm	20	5.92～7.52	6.74	5.20	0.059	-0.21
Eu	20	1.24～1.57	1.36	1.10	0.055	-0.27
Gd	20	6.19～7.99	6.99	4.50	0.057	0.05
Tb	20	0.839～1.040	0.915	0.730	0.051	-0.26
Dy	20	5.01～6.53	5.60	3.90	0.058	-0.06
Ho	20	0.974～1.230	1.080	0.920	0.053	-0.36
Er	20	2.89～3.69	3.16	2.40	0.059	-0.19
Tm	20	0.418～0.534	0.457	0.420	0.058	-0.46
Yb	20	2.71～3.33	2.99	2.40	0.054	-0.27
Lu	20	0.395～0.471	0.432	0.390	0.048	-0.44
Hf	20	6.10～8.90	7.55	8.50	0.089	-0.76
W	20	2.54～18.20	4.07	1.70	0.837	0.68
Tl	20	0.215～0.305	0.259	0.660	0.081	-1.93
Pb	20	19.2～451.0	70.1	23.0	1.347	1.02
Bi	20	0.303～1.66	0.656	0.310	0.513	0.50

2.2.2 不均匀元素空间分布特征

根据元素浓度水平，按照元素浓度均值<1、1～10和>10 mg/kg 3个浓度区间比较不均匀元素空间分布特征，统计结果见图1。Ag浓度最大值在正东2.0 km，Cd浓度最大值在正东2.5 km，In、Bi、Sb、Pb、Sn等浓度最大值在正东1.0 km，W浓度最大值在西南0.5 km，Cu、Zn、Mo浓度最大值在正北0.5 km。

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图1 不均匀元素空间分布特征

3 结论与讨论

本研究表明，研究区土壤污染风险管控标准中涉及的As、Cd、Cu、Pb、Ni、Sb、Be、Co、V 9种元素指标均低于风险筛选值，总体情况较好，该区域内评价为无污染。区域内表层土壤中Cu、Zn、Ag、Cd、In、Sn、Sb、W、Pb、Bi、Mo 11种元素为不均匀分布，说明这些元素有化学迁移和富集趋势。与东部平原土壤背景值相比，研究区Cu、Gd、W、Bi 4种元素表现为轻—中度富集元素，Zn、Ag、Cd、Pb 4种元素表现为中度富集，In、Sb 2种元素表现为中—强度富集，Sn表现为强—极强度富集。说明受元素本身化学行为、工业活动以及人类生活的共同作用，该区域内元素的富集呈现不同的特征。研究区呈现富集的元素，受到的污染主要来源于工业生产、汽车尾气排放及汽车轮胎磨损产生的大量有害气体和粉尘等，其经自然沉降和雨淋沉降进入土壤，并扩散至周围地区^[9]。研究区土壤中Sn元素CV为2.084，I _geo为4.09，存在迁移累积风险，应重点关注，并将其作为特征元素开展溯源研究工作，调查周边是否存在涉Sn企业排放源。研究区域内不均匀分布元素浓度最大值主要分布在正东方向，说明该方向为元素迁移富集最大区域，考虑到污染企业分布及风向的影响，除了需要对污染场地生产情况进行调查外，还需对正东方位进行加密布点采样监测，并对周边其他污染企业生产情况进行同步调查，进一步了解微量元素排放规律。

综上，本文利用单因子指数（P_ip ）、地累积指数（I _geo）和变异系数（CV）评价研究区土壤Li、Be等40种无机元素的分布特征，结果表明，As、Cd、Cu、Pb、Ni、Sb、Be、Co、V 9种元素指标在区域内为无污染；与东部平原土壤背景值相比，Li、Be、Sc等29种元素表现为无富集；Cu、Gd、W、Bi 4种元素表现为轻—中度富集；Zn、Ag、Cd、Pb 4种元素表现为中度富集；In、Sb表现为中—强度富集；Sn表现为强—极强度富集；Cu、Zn、Ag、Cd、In、Sn、Sb、W、Pb、Bi、Mo 11种元素为不均匀分布，且这些元素的浓度最大值主要分布在正东方向；研究结果为土壤环境监测及保护提供参考。

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